Компьютерные сети. 6-е изд.

В стандартной ситуации заголовки соседних сегментов почти одинаковы. Чтобы извлечь из этого пользу, транспортная подсистема сохраняет в своем буфере прототип заголовка. В начале быстрого пути он как можно скорее пословно копируется в буфер нового заголовка. Затем поверх перезаписываются все отличающиеся поля. Часто они легко выводятся из переменных состояния — например, следующий порядковый номер сегмента. Затем указатель на заполненный заголовок сегмента и указатель на данные пользователя передаются сетевому уровню. Здесь можно применить ту же стратегию (на илл. 6.52 этого нет). Наконец, сетевой уровень передает полученный в результате пакет канальному уровню для отправки.

Илл. 6.52. Быстрый путь от отправителя к получателю обозначен жирной линией. Серым цветом выделены прямоугольники, обозначающие шаги обработки вдоль этого пути

Чтобы увидеть, как работает этот принцип на практике, рассмотрим случай TCP/IP. На илл. 6.53 (а) изображен TCP-заголовок. Поля, одинаковые для заголовков последующих сегментов в однонаправленном потоке, выделены серым цветом. Все, что нужно сделать передающей транспортной подсистеме, — это скопировать пять слов заголовка-прототипа в выходной буфер, заполнить поле порядкового номера (скопировав одно слово), сосчитать контрольную сумму и увеличить на единицу значение переменной, хранящей текущий порядковый номер. Затем она передает заголовок и данные специальной IP-процедуре, предназначенной для отправки стандартного максимального сегмента. Затем IP-процедура копирует свой заголовок-прототип из пяти слов (илл. 6.53 (б)) в буфер, заполняет поле Identification и вычисляет контрольную сумму заголовка. Теперь пакет готов к передаче.

Илл. 6.53. (а) TCP-заголовок. (б) IP-заголовок. Серым цветом выделены поля, взятые из прототипа без изменений

Теперь рассмотрим быстрый путь обработки пакета получающей стороной на илл. 6.52. Первый шаг состоит в поиске записи соединения для входящего сегмента. В TCP запись соединения может храниться в хеш-таблице, ключом к которой является какая-нибудь простая функция двух IP-адресов и двух портов. После ее обнаружения следует проверить адреса и номера портов, чтобы убедиться, что найдена нужная запись.

Процесс поиска требуемой записи можно дополнительно ускорить, если установить указатель на последнюю использовавшуюся запись и сначала проверить ее. Кларк и его соавторы (Clark et al.,1989) исследовали этот вопрос и пришли к выводу, что в этом случае доля успешных обращений превысит 90 %.

Затем сегмент проверяется на соответствие стандарту: соединение в состоянии ESTABLISHED, ни одна сторона не пытается его разорвать, сегмент является полным, специальные флаги не установлены, и порядковый номер именно тот, который ожидался. Такие проверки включают всего несколько условий. Если все эти условия удовлетворяются, вызывается специальная процедура быстрого пути TCP-уровня.

Процедура быстрого пути обновляет запись соединения и копирует данные для пользователя. Во время копирования она подсчитывает контрольную сумму, что уменьшает количество циклов обработки. Если контрольная сумма верна, запись соединения обновляется и отправляется подтверждение. Метод, реализованный в виде отдельной процедуры, которая сначала быстро проверяет заголовок на предмет его соответствия ожиданиям, называется прогнозированием заголовков (header prediction). Он применяется в большинстве реализаций TCP. Использование этого метода оптимизации вместе с остальными, описанными в данном разделе, позволяет протоколу TCP достичь 90 % от скорости копирования в локальной памяти, при условии, что сама сеть достаточно быстрая.

Еще две области, в которых возможны существенные улучшения производительности, — управление буферами и таймерами. Как уже было сказано, в управлении буферами необходимо избегать излишнего копирования. В управлении таймерами следует учитывать, что они почти никогда не срабатывают. Они предназначены для обработки нестандартного случая потерь сегментов, но большинство сегментов и их подтверждений приходят успешно, и поэтому истечение периода ожидания является редким событием.

В программе таймеры обычно реализуются в виде связанного списка таймеров, отсортированного по времени срабатывания. Начальная запись содержит счетчик минимальных интервалов времени (тактовых импульсов — ticks), оставшихся до истечения периода ожидания. В каждой последующей записи находится счетчик, указывающий, сколько тактовых импульсов остается с учетом предыдущей ­записи. Например, если таймеры сработают через 3, 10 и 12 импульсов, счетчики списка будут содержать значения 3, 7 и 2 соответственно.

При каждом импульсе таймера счетчик начальной записи уменьшается на единицу. Когда он достигает нуля, обрабатывается связанное с этим таймером событие, а начальной записью становится следующий элемент списка. Значение счетчика можно оставить без изменений. В такой схеме добавление и удаление таймера требуют затрат ресурсов, при этом время выполнения операции пропорционально длине списка.